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地形辅助惯性导航的适配区选择与匹配算法研究

摘要

水下导航技术是人类开发海洋过程中的核心技术之一，精确的导航定位为水下潜器

长期安全的航行提供保障。目前，水下载体的导航方式多以惯性导航为主、卫星导航为

辅，但这种导航方式在受外界干扰时难以保持稳定。随着多波束测深技术的发展，地形

匹配作为一种自主导航方式成为重要研究方向。适配区划分不准确、算法误匹配以及解

算时间较长的问题严重影响地形匹配导航结果的精度、可靠性和实时性，因此，课题以

高精度、高可靠性及实时性好的水下地形匹配导航技术为研究目标，围绕地形匹配适配

区的选择方法、地形匹配算法和地形辅助惯性导航算法开展相关研究。论文主要研究工

作如下：

（1）对水下地形/惯性组合导航系统的组成结构、数学模型和关键技术进行研究。

首先，阐述多波束测深原理以及测深数据网格化处理技术。然后，分析地形辅助导航系

统的组成部分及工作原理，构建水下地形辅助导航系统的一般化数学模型，对参考导航

单元和辅助导航系统的组合方式及滤波模型进行分析，比较松组合和紧组合模式的适用

条件和优缺点。最后从导航性能角度，探讨几种地形匹配导航算法的应用条件和各自的

不足之处，并研究分析匹配区域的适配性判断方法。

（2）针对传统适配区选择方法不全面而导致适配区内地形匹配导航结果误差增大

以及误匹配的问题，提出基于地形特征参数与海底底质的地形匹配导航适配区选择方

法。分析并计算反映不同地形起伏情况的地形高程标准差、地形熵、信噪比和坡度均值

等特征参数，研究不同类型海底底质与反向散射强度、海底地形间的关系，分析海底底

质对区域适配性的影响，利用层次分析法构建考虑地形特征参数、海底底质及海洋噪声

的水下地形匹配适配区选择准则，依据选择准则合理划分适配区。通过设计在不同区域

内的地形匹配仿真实验，利用区域适配性验证指标评估各适配区与非适配区的地形匹配

导航效果，验证适配区划分方法的有效性。

（3）针对TERCOM（TerrainContourMatching）算法不能校正航向误差以及ICP

（IterativeClosestPoint）算法易出现误匹配而导致导航结果精度低、可靠性弱的问题，

提出基于角度自适应探测的改进TERCOM和ICP联合匹配算法。在分析TERCOM与

ICP算法匹配机理的基础上，利用旋转矩阵构建基于角度自适应探测的TERCOM算法

模型，通过相似度极值法判断TERCOM算法粗匹配结果的可靠性，利用KD-tree结构

的最邻近有哪些信誉好的足球投注网站模式提高ICP算法的有哪些信誉好的足球投注网站效率，设计联合匹配算法结构，实现航向误差的

哈尔滨工程大学硕士学位论文

校正并避免误匹配情况的发生。通过设计相同条件下不同匹配算法的仿真实验，验证改

进算法的可靠性和优越性。

（4）针对SITAN（SandiaInertialTerrainAidedNavigation）算法受地形线性化误差

影响导致滤波结果易发生波动甚至发散以及批处理匹配算法运行速度慢不能满足高速

运动载体导航稳定性和实时性需求的问题，提出基于SITAN算法的定位-跟踪导航模式。

在分析地形线性化误差影响SITAN算法滤波效果的基础上，通过全平面拟合法对导航

区域进行线性化处理，建立导航系统滤波模型，根据潜器运动情况设置误差阈值和时间

阈值，利用SITAN算法进行开环校正实现实时跟踪导航，抑制地形线性化误差对导航

结果的不良影响，通过联合匹配算法实现有哪些信誉好的足球投注网站定位并进行闭环反馈，校正惯导系统累积

误差。设计单独SITAN系统、基于有哪些信誉好的足球投注网站定位模式的导航系统以及基于定位-跟踪模式的

导航系统仿真实验，对比验证定位-跟踪导航模式的有效性和优越性。

关键词：水下地形辅助导航；多波束测深；适配区；地形匹配算法；导航模式

地形辅助惯性导航的适配区选择与匹配算法研究

Abstract

Underwaternavigationtechnologyisoneofthecoretechnologiesintheprocessof

humandevelopmentoftheocean.